Una nuova svolta nella comunicazione quantistica in fibra

Sep 26, 2023

24 gennaio 2020

dalla Wits University

Una nuova ricerca condotta presso l’Università del Witwatersrand a Johannesburg, in Sud Africa, e l’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhang a Wuhan, in Cina, ha implicazioni interessanti per il trasferimento sicuro dei dati attraverso le reti in fibra ottica. Il team ha dimostrato che più modelli quantistici di luce attorcigliata possono essere trasmessi attraverso un collegamento in fibra convenzionale che, paradossalmente, supporta solo un modello. Ciò implica un nuovo approccio alla realizzazione di una futura rete quantistica, sfruttando molteplici dimensioni della luce quantistica entangled.

Science Advances ha pubblicato la ricerca di un team guidato dal professor Andrew Forbes della School of Physics della Wits University in collaborazione con un team guidato dal professor Jian Wang dell'HUST. Nel loro articolo, intitolato “Trasporto di entanglement multidimensionale attraverso fibra monomodale”, i ricercatori dimostrano un nuovo paradigma per realizzare una futura rete quantistica. Il team ha dimostrato che molteplici schemi di luce sono accessibili dopo un collegamento di comunicazione di fibra ottica convenzionale che paradossalmente può supportare solo un unico schema. Il team ha ottenuto questo trucco quantistico progettando l’entanglement in due gradi di libertà di luce, polarizzazione e schema, facendo passare il fotone polarizzato lungo la fibra e accedendo ai numerosi schemi con l’altro fotone.

"In sostanza, la ricerca introduce il concetto di comunicazione attraverso reti in fibra preesistenti con stati entangled multidimensionali, riunendo i vantaggi della comunicazione quantistica esistente con fotoni polarizzati con quello della comunicazione ad alta dimensione utilizzando schemi di luce", afferma Forbes.

Gli attuali sistemi di comunicazione sono molto veloci, ma non fondamentalmente sicuri. Per renderli sicuri i ricercatori utilizzano le leggi della natura per la codifica sfruttando le proprietà bizzarre del mondo quantistico, come nel caso dell’uso della distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) per la comunicazione sicura.

"Quantum" qui si riferisce alla "spettrale azione a distanza" tanto detestata da Einstein: l'entanglement quantistico. Negli ultimi decenni, l’entanglement quantistico è stato ampiamente esplorato per una varietà di protocolli di informazione quantistica, in particolare rendendo la comunicazione più sicura attraverso la QKD. Utilizzando i cosiddetti "qubit" (stati quantistici 2-D), la capacità di informazione è limitata, ma è facile raggiungere tali stati attraverso collegamenti in fibra utilizzando la polarizzazione come grado di libertà per la codifica. Lo schema spaziale della luce, il suo schema, è un altro grado di libertà che ha il vantaggio della codifica ad alta dimensionalità. Esistono molti modelli da utilizzare, ma sfortunatamente questo richiede un cavo in fibra ottica personalizzato e quindi non è adatto alle reti esistenti. Nel presente lavoro, il team ha trovato un nuovo modo per bilanciare questi due estremi combinando qubit di polarizzazione con modalità spaziali ad alta dimensione per creare stati quantistici ibridi multidimensionali.

"Il trucco consisteva nel torcere un fotone nella polarizzazione e torcere l'altro nello schema, formando una 'luce a spirale' che è impigliata in due gradi di libertà", dice Forbes. "Poiché il fotone entangled nella polarizzazione ha un solo modello, potrebbe essere inviato lungo la fibra monomodale a lunga distanza (SMF), mentre il fotone di luce ritorto potrebbe essere misurato senza la fibra, accedendo a modelli ritorti multidimensionali nel libero spazio. Queste torsioni trasportano il momento angolare orbitale (OAM), un candidato promettente per la codifica delle informazioni."

La comunicazione quantistica con modalità spaziali ad alta dimensionalità (ad esempio le modalità OAM) è promettente, ma è possibile solo in una fibra multimodale appositamente progettata, che, tuttavia, è fortemente limitata dal rumore di accoppiamento della modalità (modello). La fibra monomodale è priva di questo "accoppiamento di pattern" (che degrada l'entanglement) ma può essere utilizzata solo per l'entanglement di polarizzazione bidimensionale.